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从分子场理论,到海森伯交换作用模型,再到布洛赫自
旋波理论,都认为每个磁性原子具有一个固定大小的磁矩,
是近邻原子中电子之间的静电交换作用使其磁矩保持一定取
向,从而实现磁有序状态的,我们称之为局域电子模型,以
强调这样的认识:对磁性有贡献的电子(例如3d和4f电子)
全部局域在原子核附近。在这种观点基础上建立起的铁磁理
论获得了相当的成功:揭示了分子场的本质;推出了铁磁体
磁化强度温度关系以及居里-外斯定律;推出了布洛赫r定
律和色散关系:a=Dk2,特别对理解铁磁金属盐类和氧化物
上更为成功,测得的磁性原子磁矩大小均为玻尔磁子的整数
倍。后来局域电子模型还成功地揭示了亚铁磁性和反铁磁性
的成因。然而对于铁磁金属和合金,由于传导电子的存在,
局域电子模型并不完全适合,因而理论上还存在着许多与实
验不符的结论。需要我们用全新的观点来处理。

问题的提出

能带论对铁磁性自发磁化的解释



参考:戴书5章p320,,312节
问题的提出
实验表明由饱和磁化强度测量给出的Fe,Co,Nⅰ原子磁距
的平均有效玻尔磁子数分别为22,,,有悖于局域电
子模型给出的结论,数值不同且不是整数。
,与磁化率
N(8n)2S(S+1)
有关的居里常数应为
而由过渡金属磁化率测出的居里常数C无法给出整数或
半整数自旋量子数S,且与饱和磁矩无关。在某些情况下
有些金属的磁化率甚至不遵守居里-外斯定律。
-10倍,
表明3d电子参与了导电
点说明
M5(0K)=Np2
由饱和磁化强度测量给出的平均有效玻尔磁子数往往不
是整数,其原因是多方面的,对于过渡族金属,虽说由于晶
场效应,轨道磁矩被冻结,主要是自旋磁矩所贡献,但因为
是因为自旋-轨道耦间的相互作用,依然会有一些轨道磁矩
的影响,二是铁磁金属中在顺磁性离子实周围会出现一些局
部感生传导电子磁化强度。但现在的问题是金属态的
Fe,coNi测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出
来的孤立原子的磁矩值相比要小的多,且不是整数。无法用
局域电子模型解释
参考Kte书p226
这一切都说明,对磁性有贡献的3d电子也参与了导电,
不完全是局域电子,再用原子磁矩这个概念就很不恰当了
必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性
起因问题,按照能带论,3d,4s电子都可以在整个金属晶格周
期场中运动,但与自由移动的4s电子相比,3d电子仍有一定
的局域性,因此为了和局域电子模型相区别,在此观点建立
起的铁磁理论又称作巡游( itinerant)电子模型。参与该模
型早期建立工作的有: Bloch(1929), Wigner(1934),
Stoner(1936),Mott(1935), Slater(1936)等。
(下划红线者是Nobe物理学奖获得者)
二、能带模型的物理图像
过渡族金属中的3d和4s电子都能在周期性的晶格中
巡游。它们形成的能带由于布里渊区的限制会有交迭,形
成3d和4s的混合带,如图所示
E
E
N(E)
N(E)
NCE
(a)自由电子态密度
(b)金属中3d和
(c)非金属中
4s电子态密度
电子态密度
简约区中自由电子的费米面
第一能带
第二能带
第三能带第四能带
n=4,5,6
右上图表示费米能级穿过两个能级的情况。
以下是过渡金属3d和4s电子能态密度示意图,图中数字表
示原子的平均电子数及所对应的费米面位置。可以看出3d和4s
能带是交迭在一起的,4s是宽带,3d是窄带,除去4s电子可以
自由移动外,3d电子也会有一定程度的传导性
NCE)
Co
Ni
3d
Cu
E
图8-
见黄昆书p422
60
. F
E
0

---04-02
能量(里)
见戴书p328
,c,Fe的能态密度

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